徐寧

機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了那么多年，為什么在我們的生活和工作中還是很少見到它們？原因不是因?yàn)樘嘿F，而是因?yàn)榻裉斓脑S多機(jī)器人只適合用于重復(fù)度高、精度要求高的領(lǐng)域，比如汽車裝配。雖然裝配一輛汽車需要成千上萬道工序，但無論是抓取零件還是焊接車架，都是重復(fù)千百萬次都固定不變的動(dòng)作。

但真實(shí)世界不是“裝配線”，而是不斷變化著的。機(jī)器人在精度和速度上的優(yōu)勢(shì)并不能讓它們很好地適應(yīng)真實(shí)世界。比如，在2015年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局主辦的一場(chǎng)機(jī)器人挑戰(zhàn)賽上，一臺(tái)機(jī)器人因?yàn)橐粋€(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)動(dòng)門把手開門的動(dòng)作，把自己給摔倒了：又比如用機(jī)器人通過捏芒果來判斷成熟度，就算用當(dāng)今汽車制造業(yè)頂級(jí)的機(jī)器臂（平均動(dòng)作誤差小于0.02毫米）來捏100個(gè)芒果，其中肯定有許多被捏破的。所以，有些動(dòng)作在人類看來很簡(jiǎn)單，但機(jī)器人完成起來卻很困難。

面對(duì)這樣的難題，科學(xué)家和工程師開始用另一種思路來設(shè)計(jì)機(jī)器人。首先，它們應(yīng)該更善于完成條件多變的任務(wù)，盡管不需要很高的精度或速度;其次，考慮到它們和人類一起工作和生活，這些機(jī)器人應(yīng)該是柔軟的，這樣才不會(huì)傷害人類;最后，機(jī)器人的生產(chǎn)成本不能太高，也不會(huì)輕易就被損壞。因此，越來越多柔性機(jī)器人開始加入機(jī)器人的行列。

如何讓機(jī)器人變得更軟

從很久以前，機(jī)器人設(shè)計(jì)就開始借鑒自然界中的生物，即仿生學(xué)。但傳統(tǒng)機(jī)器人因?yàn)樘擦耍茈y像動(dòng)物一樣自由運(yùn)動(dòng)。人類等脊椎動(dòng)物的內(nèi)骨骼（硬質(zhì)材料）只占體重的1096～15%，而我們身上的其他部位如傳感器（神經(jīng)）、驅(qū)動(dòng)器（肌肉）、中央控制系統(tǒng)（大腦）都是柔軟的、可變形的。不僅如此，我們儲(chǔ)存“燃料”的肝臟和腸道是柔軟的，處理廢物的腎臟和肝臟也是柔軟的，交換氣體的肺部和交換熱量的皮膚都是柔軟的。如果機(jī)器人的柔軟材料比例更高，它們的行動(dòng)也會(huì)更自然。

要讓機(jī)器人變軟，最簡(jiǎn)單的做法就是在堅(jiān)硬的金屬表面覆蓋橡膠、泡沫、硅膠等柔軟材料，但科學(xué)家希望機(jī)器人不僅表面是柔軟的，而是全部由柔性材料制成，最好連電池、電路板、電線都不需要。這樣的機(jī)器人才能實(shí)現(xiàn)柔和的動(dòng)作，也能承受更大沖擊，最重要的是它們與人相處起來也更安全。

科學(xué)家想了許多讓機(jī)器人變軟的方法。他們借鑒了蚯蚓等環(huán)節(jié)動(dòng)物“靜水骨骼”的原理，在一些機(jī)器人體內(nèi)安放由記憶合金彈簧制成的圓柱形中空金屬網(wǎng)。記憶合金收縮和變形，讓柔性機(jī)器人自由變化長(zhǎng)度和粗細(xì)。在以往，硬質(zhì)機(jī)器人要想完成更復(fù)雜的動(dòng)作，就要增加關(guān)節(jié)數(shù)量。而由記憶合金彈簧制成的機(jī)器人，其“骨骼”可以自由彎曲，因此動(dòng)作不再受關(guān)節(jié)數(shù)量局限。一種叫“GoQBot”的機(jī)器人可以通過翻滾躲避危險(xiǎn)。對(duì)它的研發(fā)借鑒了自然界中最快速的躲避機(jī)制之一。GoQB0t長(zhǎng)得就像一條毛毛蟲，在記憶合金彈簧的驅(qū)使下，它能如毛毛蟲一樣爬行，而且劇烈收縮，能以最高lg（地球表面物體墜落的加速度，約合9.8m/s²）的加速度快速翻滾。

更新一些的方案是氣動(dòng)網(wǎng)格。其原理類似吹氣球，只不過區(qū)別在于氣球的橡膠分布較均勻，充氣后的氣球向所有方向膨脹。而氣動(dòng)網(wǎng)格機(jī)器人的每個(gè)部分的材料密度不同，因此充氣后各部分膨脹度也不同——直的能變彎，彎的能被拉直。改變材料彎度就像拉伸肌肉，可以讓機(jī)器人抓取、移動(dòng)物體。

柔性也給機(jī)器人的設(shè)計(jì)帶來了全新思路，比如利用炸藥等高能量密度能源。這在以往設(shè)計(jì)硬質(zhì)機(jī)器人過程中是不敢想象的。在實(shí)驗(yàn)中，技術(shù)人員用丁烷氣爆炸產(chǎn)生的氣浪使全軟體機(jī)器人被彈射到距離地面0.6米的高處，然后重重落下，身體柔軟的柔性機(jī)器人毫發(fā)無傷，能再次跳躍。硬質(zhì)機(jī)器人就難以承受從高處墜下或摔倒，會(huì)受到損傷。軟體機(jī)器人很好地解決了這個(gè)問題。

相比電池，化學(xué)燃料的能量密度高得多，是非常適合機(jī)器人隨身攜帶的能源。柔性材料還有許多奇怪的特性。例如，有些柔性材料有負(fù)泊松比：當(dāng)被拉長(zhǎng)時(shí)，它們會(huì)變寬：被壓縮時(shí)，反而會(huì)變窄。還有的柔性材料受到快速?zèng)_擊時(shí)會(huì)迅速變硬。

提起面團(tuán)的“軟手”

如何讓機(jī)械手抓起柔軟的面團(tuán)曾經(jīng)難倒過許多工程師。食品工廠流水線的傳統(tǒng)夾具往往使用吸盤抓取柔軟物體，但比薩餅面團(tuán)是發(fā)酵面團(tuán)，太過柔軟，吸盤內(nèi)的負(fù)壓很容易讓面團(tuán)變形。

2016年，英國(guó)某比薩餅生產(chǎn)企業(yè)第一次讓機(jī)器夾具拿起了柔軟的面團(tuán)。新型夾具的“手指”表面覆蓋了充氣聚合物材料，注入空氣后快速膨脹的表面能抓住柔軟物體，抽出夾具內(nèi)部的空氣后，夾具就能完成丟棄動(dòng)作?？梢宰冃蔚摹笆种浮弊屵@種機(jī)械手能抓住雞蛋、生肉、鋼筆、蛋糕等物體。即便物體的尺寸不完全相同，夾具也能應(yīng)對(duì)自如：當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到不同尺寸的面團(tuán)，充氣“手指”中會(huì)泵入更多空氣，夾具間空間變小，就能拿起更小的面團(tuán)。

柔軟夾具的好處是工廠不需要對(duì)每種產(chǎn)品分別編寫程序，柔軟的表面賦予了夾具與產(chǎn)品更大的接觸面積，讓夾具不用再去精確控制速度、角度和力度，大大降低了所需的傳感器數(shù)量。機(jī)械手平均每分鐘能抓起并放下133個(gè)小番茄，已經(jīng)超過了人類熟練工每分鐘100個(gè)的平均速度。充氣軟質(zhì)夾具很好地解決了抓取柔軟物體而不造成破壞的難題。當(dāng)然這不是說剛性機(jī)器臂就要被淘汰了——硬質(zhì)夾具依然適合汽車裝配工作。

柔軟外骨骼一“外套”

2014年世界杯新聞發(fā)布會(huì)上，一名因脊柱受損而截癱的29歲巴西足球運(yùn)動(dòng)員在穿上剛性外骨骼后再次行走，引起不小的轟動(dòng)。雖然剛性外骨骼能幫助殘疾人重新行走，但它們很昂貴，用起來也不方便。因此，科學(xué)家試圖開發(fā)更小、更輕的外骨骼。

彈性聚合物人造肌肉、微型柔性傳感器、液態(tài)金屬和記憶合金材料等領(lǐng)域的突破讓外骨骼能由硬變軟。一種柔性外骨骼也叫“外套”，最初被研發(fā)的目的是為了減輕士兵野外行軍時(shí)的負(fù)重。它又軟又輕，不會(huì)約束穿戴者的運(yùn)動(dòng)，也可以穿在衣服下面，不引人注目，價(jià)格也比硬質(zhì)外骨骼更低。

“外套”很柔軟，雖然無法讓癱瘓病人站立行走，但卻能有效幫助中風(fēng)患者克服腦損傷帶來的行走不便。久坐不動(dòng)是危險(xiǎn)的，會(huì)大大提高中風(fēng)患者肌肉萎縮、關(guān)節(jié)變形和骨密度下降等風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)還會(huì)引發(fā)腿部血管產(chǎn)生深靜脈血栓，引起肺栓塞猝死。“外套”能幫助中風(fēng)患者行走，減少久坐帶來的風(fēng)險(xiǎn)。最新型外骨骼甚至不需要人造肌肉，僅靠記憶聚合物薄膜和記憶合金纖維就能實(shí)現(xiàn)外骨骼的支撐功能，未來中風(fēng)患者只需要穿上由這種織物制成的褲子就能正常行走。

進(jìn)入身體的柔軟機(jī)器

外形酷似章魚的機(jī)器人“0ctobot”是全世界首個(gè)完全自動(dòng)化的軟體機(jī)器人。它的主體由硅膠材料經(jīng)3D打印而成，透過透明硅膠能夠看見內(nèi)部的紅藍(lán)線纜。章魚機(jī)器人沒有外接線纜，也沒有電池。鉑催化劑讓機(jī)器人內(nèi)部的過氧化氫快速分解為水和氧氣。氧氣通過柔性閥門讓八條臂有序運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)游泳動(dòng)作。

機(jī)器章魚和醫(yī)療機(jī)器有什么聯(lián)系？其實(shí)，機(jī)器章魚向人們展示了未來醫(yī)療微機(jī)器人的可能形態(tài)：不需要外接電纜、沒有硬質(zhì)結(jié)構(gòu)、可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的動(dòng)作。如果使用生物可降解材料，柔性醫(yī)療微機(jī)器人進(jìn)入病人身體完成任務(wù)后，便會(huì)自然降解成無毒害物質(zhì)?？赏淌车娜嵝詸C(jī)器人能到達(dá)病灶部位精準(zhǔn)送藥，也能在人體內(nèi)收集信息，還能進(jìn)行無創(chuàng)手術(shù)。

英國(guó)謝菲爾德實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)一種心臟輔助裝置，這是一種具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的軟體機(jī)器，能夠包裹在心臟周圍，輔助心臟收縮，提高泵血能力，最重要的是它不會(huì)傷害心臟。構(gòu)成機(jī)器的泡沫橡膠內(nèi)部有大量微孔，向其中注入流體能改變其剛性和形狀，從而向心臟提供額外壓力。通過剪裁，裝置能夠避開心臟主動(dòng)脈區(qū)域，不會(huì)影響心血管正常功能。

能不斷“生長(zhǎng)”的救援機(jī)器人

有些柔性機(jī)器人能在尖端位置不斷生長(zhǎng)，就像葡萄藤一樣。斯坦福大學(xué)的研究人員在實(shí)驗(yàn)室的屋頂進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)：他們讓一臺(tái)救援用柔性機(jī)器人從吊頂進(jìn)入黑暗的天花板。只見這個(gè)機(jī)器人從頭部位置不斷冒出新的軀體，像一條無窮無盡的長(zhǎng)蛇。在攝像頭的幫助下，機(jī)器人躲開了天花板內(nèi)的電線等障礙物，最終抵達(dá)了研究人員預(yù)設(shè)的目的地，那里有一只燃燒中的蠟燭。由于這臺(tái)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模仿了藤蔓，研究人員將它命名為“藤”。

“藤”并不是真的在生長(zhǎng)。其空腔內(nèi)折疊好的柔性材料從機(jī)器人正前方的頭部向外翻出，并在壓縮空氣的作用下充氣膨脹;位于其頭部的驅(qū)動(dòng)器能改變延伸方向，二氧化碳傳感器能幫助它自動(dòng)向有二氧化碳的方向移動(dòng)?？茖W(xué)家希望“藤”能夠在災(zāi)害救援中發(fā)揮重要作用，而它也確實(shí)展現(xiàn)出某些驚人的特性：完全充氣后的“藤”能撐起100千克重的箱子;它的頭部直徑很小，能穿過直徑只有軀體截面直徑1/10的小孔，并且不妨礙它穿過后繼續(xù)膨脹。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，膠水、釘子和低溫都沒能阻止“藤”的前進(jìn)步伐。萬一“藤”的塑料膜被刺破了怎么辦？“藤”被刺破的部分會(huì)在內(nèi)部高壓下自密封，此時(shí)塑料膜會(huì)緊緊包裹住尖銳物體，防止內(nèi)部氣體泄露。

近年來驅(qū)動(dòng)、感知、模具成型和控制技術(shù)的進(jìn)步，讓越來越多的柔性機(jī)器人成為現(xiàn)實(shí)。它們不僅能擠壓、拉扯、攀爬、成長(zhǎng)、變形，有些還能自我進(jìn)化、自愈、自然降解。柔性革命不僅讓機(jī)器人變軟，讓機(jī)器人變得更廉價(jià)、更智能、更安全。

（責(zé)任編輯王川）